Computersimulaties voor neurodegeneratieve ziekten

• Nieuw model onderzoekt hoe besmettelijke zaden zich verspreiden door de ongelijke structuur van de hersenen.
• Onderzoekers gebruikten MRI-scans van een volwassen brein om simulaties met hoge resolutie te maken in zowel 2D als 3D.
• Deze simulaties bootsen het patroon van schade na dat is waargenomen bij tal van neurodegeneratieve aandoeningen.

Neurodegeneratieve ziekten die verband houden met leeftijd zijn veelzijdige en complexe pathologieën. In de meeste gevallen hangt hun groei nauw samen met de progressie van bepaalde eiwitaggregaten die bekend staan ​​als prionen.

Prionen zijn infectieuze zaden die een kettingreactie van eiwitaggregatie en verkeerd vouwen veroorzaken, waardoor conformationele autokatalyse wordt geproduceerd. Geleidelijk breiden deze zaden zich uit, fragmenteren en verspreiden ze zich naar andere delen van de hersenen. Dit beïnvloedt de normale werking van het zenuwstelsel en veroorzaakt hersenatrofie, necrose en uiteindelijk de dood. Dit is precies wat er gebeurt bij de ziekte van Parkinson en Alzheimer en ALS.

Nu hebben onderzoekers van Stevens Institute of Technology, Stanford University en University of Oxford een nieuw model ontwikkeld dat onderzoekt hoe deze besmettelijke zaden zich door de ongelijkmatige structuur van de hersenen verspreiden. Het toont aan dat de verdeling van toxische moleculen bij alle ziekten afhangt van de locatie waar deze moleculen voor het eerst verschenen.

De simulaties geven aan dat hersenbeschadiging meestal optreedt als gevolg van het verwijderen door het lichaam van hersencellen die zijn aangetast door de fysieke impact. Auteurs geloven dat hun tool wetenschappers zal helpen om de progressie van ernstige hersenaandoeningen te blokkeren.

Het model negeert biochemie

Bij veel neurodegeneratieve ziekten blijven de aanvankelijke toxische moleculen troebel, maar ze kopiëren zichzelf om op een specifieke manier verkeerd te vouwen. De ziekte vordert naarmate de misvormde eiwitten zich uitbreiden door de hersenen en samenklonteren in klonten en vezels.

Dit nieuwe model negeert biochemische en cellulaire mechanismen en vertegenwoordigt eenvoudig de fundamentele processen van voortplanting en groeiend aantal schadelijke eiwitten.

In plaats van door de vloeistof buiten de cellen te reizen, verplaatsen giftige moleculen in de hersenen zich door neuronen (netwerk van zenuwcellen). Elke zenuwcel bestaat uit een kern en een axon die elektrische signalen doorgeeft aan andere zenuwcellen. Axonen zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van de witte stof van de hersenen, terwijl hun cellichamen het grootste deel van de grijze stof bevatten.

Referentie:APS Natuurkunde | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Universiteit van Oxford

In dit model diffunderen giftige moleculen met een bepaalde snelheid langs axonen en reizen door de witte stof. Ze diffunderen ook naar extracellulaire gebieden, maar in een veel langzamer tempo. In de grijze stof diffunderen deze moleculen isotroop met een gemiddelde snelheid. Zodra ze zich in een nieuw gebied verspreiden, maken ze kopieën van zichzelf met een bepaalde snelheid die afhangt van het aantal giftige eiwitten dat in die gebieden aanwezig is.

Toxische eiwitten in de hersenen simuleren

Klinische gegevens (boven) vs. simulatie (onder) | pijlen tonen de verspreiding van giftige eiwitten bij de ziekte van Alzheimer | Credit:A. Goriely / Universiteit van Oxford

Om simulaties met hoge resolutie in zowel 2D als 3D te maken, gebruikten auteurs MRI-scans van een volwassen brein. De 2D-computersimulaties werden uitgevoerd in verticale plakken (van links naar rechts of van voren naar achteren) en 3D-simulaties bestreken het hele brein.

Vervolgens brachten ze de klinische gegevens van de progressie van de ziekte van Parkinson en Alzheimer in kaart. Volgens deze gegevens beginnen de giftige eiwitten vanaf een bepaalde locatie en verspreiden ze zich in een bepaald patroon. De auteur voerde deze initiële voorwaarden aan hun simulaties en ze ontdekten dat simulaties nauwkeurig het patroon nabootsten dat bij elke aandoening hoort.

Lezen:De ongeëvenaarde kijk op het menselijk brein verkregen via orgaanchips

Het model kan wetenschappers helpen meer te weten te komen over de biochemie door rekening te houden met de fysieke aspecten ervan. De simulaties laten duidelijk zien dat diffusie een grote rol speelt bij de progressie van neurodegeneratieve aandoeningen. Het zou nieuwe richtingen kunnen geven aan toekomstig interdisciplinair onderzoek.